癌症检测系统的设计和定量分析基于荧光免疫分析

文摘

人类血液是一个重要的医学检测指标。发展在临床医学检测仪器和检测技术,检测精度和效率的要求逐渐提高。荧光免疫层析法是一种新的检测技术。它效率高的特点,方便,没有污染,检测范围宽。人类血液可以使用荧光免疫层析法快速检测。目前,它已经收到了从临床试验领域的极大关注。在这篇文章中,一组荧光检测试纸分析仪的设计。它主要是基于荧光免疫层析法的原则。一种新的信号分析方法和系统设计提出了荧光免疫层析法分析仪。通过使用改进的阈值函数去噪算法,实现荧光检测试纸条的定量检测。 The concentration of pathogenic factors (cancer cells) in human serum can be measured conveniently and accurately. The system integrates many peripheral modules, including fluorescence signal acquisition, fluorescence signal processing, quantitative curve fitting, and test results. In this paper, the quantitative detection experiments of the system are carried out in three aspects: linearity, repeatability, and sensitivity. The experimental results show that the linear correlation coefficient is up to 0.9976, and the limit of detection is up to 0.05 ng/ml. The requirements of the system are satisfied. The system performance is good, and the quantitative result is accurate. Therefore, the establishment of a fluorescence analysis system is of great significance.

1。介绍

医学标准和技术的改进,测试仪器不断改进。它发展的方向操作简单,准确的结果,和较高的检测效率。目前,临床免疫学的常规方法是检测血液和体液,用于定量或定性分析1,2]。定量免疫测定是一种免疫方法定量检测各种生理和病理指标样本中基于抗原抗体反应的原理或辅以各种marker-tracer技术和特殊检测设备。它有高敏感性和高特异性的特点。抗原和抗体特异、敏感,因此荧光免疫层析法已广泛应用于痕量物质的检测临床标本(3,4]。最常见的方法是放射免疫检定法,enzyme-labeled免疫分析法、化学发光免疫分析法和胶体金免疫测定。这些分析技术发挥了重要作用在生物学、医学、和其他领域,因为他们出来一个接一个在20世纪中期。近年来,随着自动化的分析方法和配套试剂的商业化,定量免疫测定技术已越来越广泛应用于临床实验室已成为疾病诊断和疗效评价的重要手段。一般来说,体内血液检测的医务工作者是胶体金免疫测定,及其胶体金标记,标记抗体结合的蛋白质通过物理吸附,然后沉淀产生的颜色(5]。该方法的最明显的特点是操作方便、低成本、和高稳定性,所以非常适用于医院和家庭使用。胶体金免疫层析法具有以下优点:直接用肉眼观察结果没有任何仪器和设备,快速检测,稳定性好,没有操作员的毒性和对环境无污染。然而,这些特征主要反映在固相免疫的定性检测,不能满足临床需求的准确和定量分析。它使用人眼识别,特别是在弱阳性的情况下,这很容易导致错过了检测、胶体金免疫测定是更适合半定量的和手动定性检测,但是很难满足要求的定量检测。同时,外部噪声将导致错误的检测结果胶体金免疫法,及其标记只金标记,不能使用其他标记。

近年来,荧光标记技术的发展,结合荧光标记技术,检测试纸反应,和分析光电子技术,称为荧光免疫层析法检测技术广泛应用于医疗领域的检测(6]。主要用于诊断细菌、病毒和血清抗体。根据颜色与光致发光的特点,研究人员结合其作为荧光标记物质进行测试,检测试纸条检测的成功应用,并实现了检测样品浓度。与胶体金检测试纸法相比,荧光检测试纸分析仪测试方便,操作简单的优点,克服了低敏感性和不稳定的两个主要缺陷检测结果。荧光检测试纸检测方法特异性强的特点,灵敏度高,重复性好。目前,它已成为在生物医学领域的未来发展趋势和其他相关领域。

因此,一组荧光免疫层析法分析仪基于荧光免疫层析法的目的是改善传统方法的敏感性。根据荧光免疫测定的原理,选择合适的荧光素,和最好的波长选择根据其特点选择激发光源的光谱特征。基于荧光免疫层析法的基本原理和系统需求,确定了系统的设计方案。与此同时,由于荧光信号的噪声特性,小波变换方法引入定量荧光免疫层析法检测分析仪。由于缺乏传统小波阈值去噪,提出了一种改进的阈值函数方法并验证其可行性。经过大量的重复实验,测试结果表明,该设计系统可以达到预期的结果,可以实现病人信息管理和更准确的测量溶液浓度。如果癌症患者能及时寻求医疗,设计仪器可以用来预测病理变化,以满足医院和患者的需求。

2。荧光处理

2.1。免疫层析原理

免疫层析法也称为immunoaffinity色谱法。特定的抗原抗体结合反应具有较高的亲和力和特异性。抗原或抗体可以耦合到列包装利用免疫层析法准备一个亲和色谱法列。特异性免疫组件与抗原或抗体可以简单快速有效地分离和纯化复杂混合样品的色谱柱。最选择性和有效的分离纯化方法,特定抗体(6,7]。检测试纸反应进行的硝化纤维膜试剂地带。主要检测试纸条的特点,可操作性强,精度高,而且没有污染,它主要由样品垫、绑定垫,硝化纤维膜和吸水滤纸8]。检测试纸反应是纤维素膜和控制区域。色谱法的实现需要一个流动相、固定相(9,10]。流动相是一种物质,试剂条的横向流动,固定相是硝化纤维膜试剂条,主要存在于测试区域和控制区域。当混合物与流动相流经固定相,不同的物质分离的亲和色谱法(11]。T流程(测试线)有特定的免疫反应,和C流程(控制线)特异性免疫反应,可以看到在图1。

摘要double-antibody三明治法用于检测样品的浓度。它的基础上进行间接荧光免疫反应的方法。中使用的荧光素抗体检测试纸条是铕螯合。它形成一种europium-resistant化合物通过添加增强剂包含β二酮配体。的免疫反应的原理示意图double-antibody三明治方法显示在图2。

具体流程如下:包含标记的特殊抗体绑定垫被删除,并添加一个特定的抗体在硝化纤维膜的位置。样品液体后的样品进行测试添加到样品垫,通过毛细管的作用,样品溶液和标记在绑定垫均匀扩散。铕螯合的样品溶液反应形成抗体铕螯合的复杂。然后包含抗体铕螯合的复杂流动。当复杂的移动检测带,是因为检测区域包含一个特定的抗体,它有一个与chelate-containing铕抗体抗原特异性免疫反应,最后形成的免疫复合物antigen-antibody-europium抗体复杂。同时,标记抗体也捕捉到测试线,在测试线,而多余的标记继续向前,被吸附到控制流带膜上的蛋白的抗体,和复杂的控制线上的特定约束力的发生,同时,标记抗体也捕获控制线。根据标记类型的差异,颜色或仪器检测到信号,从而达到定性或定量检测的目的。

2.2。传统的小波去噪函数

定量检测的过程中通过使用荧光免疫层析法分析仪,收集到的荧光信号将受到外部或内部噪声的影响,这将导致不准确的定量检测结果。外部噪声是由外部环境和人为因素引起的。粒子内部噪声包括热噪声、噪声、低频噪音,等等。常见的滤波算法包括滑动平均滤波器和小波分析(12]。小波分析是一种新的数学分支,基于傅里叶变换的发展(13- - - - - -15]。小波分析的主要特点是时间被细分在高频率,低频率的频率细分,满足时频信号分析的根据不同的条件。因此,小波分析是一种新的定位分析在时域和频域,但它更有利于处理非平稳的信号比傅里叶变换。这种方法不仅保留了局部分析的能力也适应窗口傅里叶变换和小波的形状根据不同信号的特点(16]。有三种常见的小波分析:小波变换模极大值法、空间关联滤波去噪和小波阈值去噪。小波阈值去噪方法的原理很简单。原始信号和噪声的小波分解系数和处理不同。计算相对较小,可以几乎完全消除噪音。本文根据收集到的荧光信号中白噪声的特点,选择小波阈值去噪方法提高荧光信号的准确性。

小波分解后,信号的能量主要集中在一些大的小波系数,而且大部分的噪声小波系数与小振幅(17- - - - - -19]。假设原始信号(t),受污染的噪声信号b(t)和噪声信号n(t),然后noise-containing基本模型可以表示为代表在以下方程:

公式(1)是进行小波变换得到以下方程:

见公式(2),表示包含信号的小波系数b(t),和代表原始信号的小波系数一个(t)和噪声信号n(t),分别。

原始信号的小波系数的振幅大于噪声信号,其中大多数分布在低频小波系数。因此,一个合适的阈值T被选中时,获取处理和小波系数阈值的小波系数在不同尺度阈值量化后,和重构得到去噪信号 。具体的过程如图3。

2.3。阈值选择和阈值函数的选择

小波变换的多分辨率思想是基础。结合小波变换和阈值的方法可以有效地去除信号中的噪声(20.]。小波去噪的阈值选择将影响去噪的效果。如果选择的阈值太大,有用信号可能消除信号去噪的过程中,导致信号失真。如果所选阈值太小,不能完全消除噪音,会影响实验结果。常用的阈值选择如下:VisuShrink, Rigrsure, Sqtwolog, Heursure和极大极小。在这篇文章中,全球统一选择VisuShrink阈值去噪。VisuShrink可以被视为一个通用阈值选择器。它提供了算法误差特性。它还确保估计一样稳定的真正的基本功能。它使用一个阈值 ,标准偏差成正比的噪音。这是定义如下:

在公式(3),是噪声的估计偏差信号,现在N代表了信号大小或数量的样本。

小波阈值去噪是将信号分解成l层离散二进制小波作为小波系数。每一层都有一个固定的阈值。处理小波分解高频系数的使用不同的阈值函数的小波阈值去噪算法。同样重要的是要选择一个合适的阈值函数。一般来说,有两种小波阈值函数:硬阈值函数和软阈值函数。

如果设置是阈值、硬阈值函数可以表示如下:

硬阈值函数分解的信号小波和获得高频系数,它保留了小波系数的绝对值大于阈值。小波系数小于阈值时,小波系数设置为零。硬阈值可以保护地方特色。因此,整个小波域的小波系数将有一定影响的准确性在整个小波域去噪结果由于重构信号的不连续。

如果设置阈值,那么软阈值函数可以表示为如下方程:

软阈值函数的小波系数大于阈值的小波系数和阈值之间的差异。和小波系数小于阈值设置为0。过程的结果可能会相对顺利,并且将会有一个模糊的轮廓或边缘的位置。

2.4。改进的阈值函数

硬阈值方法去噪后的小波系数有间断虽然他们可以更好地保留原始信号的有效部分。然而,去噪后重构信号会不平滑的信号曲线,这将导致脑震荡的重构信号。的问题硬阈值函数的去噪效果不明显可以解决通过使用软阈值函数去噪,但是软阈值函数产生一个固定的区别在加工过程中,导致减少信号精度重建以及变形后的重构信号振幅。在实际应用程序中,有必要进行派生操作软阈值函数,但软阈值函数的导数不是连续的和有一定的局限性。

为了考虑这两个阈值的优点,消除他们的缺点,本文提出了一个新的函数解决软、硬阈值函数基于上述阈值函数的缺点,见以下方程: 在哪里是原始小波系数,阈值处理后的小波系数,是阈值。通过数学分析,连续性、先进性和偏差阈值函数的公式(4)进行了验证,证明了阈值函数的可行性。

作为最终增加,改进的阈值函数的方法 。重构小波系数之间的偏差和实际小波系数也逐渐减少。相应的分母也增加。它会带来来 。因此,克服了软、硬阈值的缺陷,和偏差的问题和是解决。因为噪声的小波系数随分解尺度的增加,不同分解层的阈值应该和分解尺度的增加减少。同时,为了解决常见的阈值的缺陷,本文提出一种改进的阈值选择方法。阈值选择本文中所示的以下方程: 在哪里层的标准差j噪声信号,是信号的长度,层的门槛j。

新阈值函数是更有效的比传统的阈值函数来消除重建信号的振荡,和降噪效果更好。图中给出的细节4(一)是原始信号,(b)是嘈杂的信号,(c)是硬阈值函数去噪后的信号,(d)是软阈值函数去噪后的信号,和(e)是一个新的阈值函数去噪的信号。

评价标准是标准来判断信号的影响信号处理(21]。常用指标评估的质量信号信噪比(信噪比)和均方误差(RMSE)。信噪比的定义如下:比原始信号的能量和噪声,在哪里x(n)是对原始信号,y(n)是对噪声信号,N是信号长度。公式如下所示:

RMSE用于判断错误之间的原始信号和噪声信号。公式如下所示:

根据定义,均方误差越小,去噪效果越好。如表所示1,比较了三种去噪方法的信噪比和RMSE。

去噪的指数相比,改进的阈值函数去噪方法用于制造荧光信号有更高的信噪比(信噪比)。均方根误差较低。效果更好。

3所示。系统设计

3.1。系统选择和结构

系统有两个选项。第一个选项是基于数字图像处理技术的快速发展和使用CCD相机拍照的试验片整个检测区域(22,23]。数字图像处理算法是用于分析和计算灰度值的分析物浓度和波长的检测区域和控制区域。第二个选项可以消除缺陷在机械传动过程中捕获的图像数据和缩短时间。第二个选择是添加一个机械扫描结构遗留光学模块。光线是由光学模块,兴奋的光路是集中在测试条。测试条上的荧光很兴奋,集中在光电探测器。光学模块使用前置放大器电路完成光电流收购,和光学模块可以完成荧光信号采集测试棒。机械传动可以驱动光学模块或将测试杆平台的方向,而在这两个方面可以形成一条直线。它可以完成整个检测区域的荧光收集。整个检测区域的荧光曲线扫描,然后处理荧光曲线来推断分析物的内容。 This scheme is mature and of low cost, the light module is very small, and this is a common product scheme [24在市场上)。荧光免疫层析法分析仪设计本文主要用于医院,家庭,和其他地方。因此,系统主要考虑亲自从低功耗、抗干扰能力强的信号采集、等等。与上述两种解决方案相比,我们选择第二个方案从当前技术成熟度的角度。

硬件系统主要由光学系统和控制系统。工作的主要内容如下:电动机的驱动扫描试剂条放大所采用的信号,并将光信号转换为电信号的作用下荧光免疫层析法反应,实现了信号采集。软件系统主要由触摸屏和电脑。它可以完成信号的分析,进行数据存储和查询。荧光检测试纸分析仪的系统框架如图5。

具体工作流程的荧光免疫层析法检测系统分析仪设计摘要如下。首先,激发光产生的单片机内部定时器通过过滤器,和整个试剂条扫描驱动器驱动步进电机的运动。硅光电二极管接收光信号,并将光信号转换成电信号。然后,数据被传输到单片机通过一个/D抽样。最后,获得的数据通过串口发送给单片机,和收集到的信号由单片机进行处理。计算浓度的值后,检测结果显示和输出给用户。

3.2。光源的选择

在荧光检测试纸反应,不同的标记应选择对应于不同的光源(25,26]。在传统的光学系统,可选类型的氙灯光源,激光和LED灯。氙灯光源发出的优点广泛的从红外到紫外光谱。氙灯的排放强度很高。氙灯光源的缺点是光效果很低,它需要在高电压下,电源的要求是非常高的。激光光源具有小的输出脉冲宽度,高信噪比和灵敏度高。但使用寿命短、小数量的脉冲每秒,和大量不利于仪器的可移植性。尽管LED光源单色性很差,亮度,它具有体积小、输出功率、光束波长稳定,和长寿命。结合该系统的需要,LED光源是更合适的激发光源的荧光免疫层析法分析仪。

滤波器的作用是过滤掉干扰辐射来自其他系统的光谱段。在接收光路,带通滤波器需要选择。和透射峰的峰值610海里。因此,滤波器中心波长610 nm,峰值透射率T_年代> 90%,截止深度T_p不到0.1%被选中。

4所示。定量检测实验和结果

4.1。线性测试

的样品溶液隐球菌pods-like多糖的浓度100 ng / ml被划分为几个部分。解决方案是稀释0.05 ng / ml, 0.1 ng / ml, 1 ng / ml, 10 ng / ml, 100 ng / m蒸发给水。控制和测试线的值,分别获得的特征值,如表所示2。

控制带和荧光强度的测试条上的检测频带反映了抗原和抗体的反应程度。的特征值表2的荧光强度的比值控制检测乐队乐队,这表明荧光免疫复合物的数量。

线性相关系数的荧光immunoanalyzer用于本文= 0.9976,如图6。结果表明,本仪器检测系统提高了具有最佳的线性特征,才能真正反映被测对象的浓度。

4.2。可重复性测试

检测结果的重复性是一个重要的指标测试荧光免疫层析法的性能分析器。根据三种浓度范围的低、中、高,实验制备成三个浓度的1 ng / ml, 10 ng / ml, 100 ng / ml。在相同的位置,相同的操作使用相同的设备重复操作3次。实验数据如表所示3。

变异系数(CV)可以通过使用以下方程: 在哪里样本的标准偏差和吗样本的平均值。

统计数据后,该仪器用于测试的样品溶液浓度1 ng / ml, 10 ng / ml, 100 ng / ml使用一种改进的算法。测量结果表明,在高浓度仪器的重复性可以更好。在中、低浓度,低浓度的重复性是相对贫穷。但总的来说,这表明,该检测系统具有良好的可重复性,满足系统的需求。

4.3。最小测试

采取相同的批试剂的地带。样品的浓度是100 ng / ml,释放浓度是100 ng / ml, 10 ng / ml, 1 ng / ml, 0.1 ng / ml, 0.05 ng / ml。解决方案是滴在5条和空白带,分别测试检测极限。具体测试数据表4。

如表所示,当样品浓度0.05 ng / ml,特征值接近空白的试卷。因此,限制的隐球菌荚膜多糖溶液通过该系统可以测量。

5。讨论和结论

荧光免疫层析法分析仪的系统主要是采用光学测量和控制模块。这项发明可以实现定量检测试剂条上的荧光材料的检测下荧光物质的浓度的解决方案。测量结果是可靠和准确的。通过实验,我们得到以下数据:线性相关系数是0.9976,检测极限是0.05 ng / ml。这些数据证明,系统具有操作方便,功耗低,稳定性好,精度高。

摘要荧光免疫层析法分析仪设计已基本完成了核心功能。然而,由于时间有限,没有时间进行深入探索,在许多地区仍有需要改进:(1)样品检测的过程中,它会带来噪声系统的外部和内部边界。下一步是提高光学系统和构建更复杂的光学系统模块停止噪音。与此同时,与选择可调增益放大电路控制系统。荧光信号的范围可以控制在一定的范围内。可以提高检测的准确性。(2)系统的自动化程度,需要改善。摘要信号去噪和特征值是基于Matlab软件的解决方案。下一个计划可以完成上计算机系统而不是使用Matlab完成数据处理。(3)荧光检测试纸分析器仍在开发和测试。这不是正式使用。在正式的投资需要大量的数据。我们需要大量的样本。

目前,大多数的荧光信号曲线用荧光检测试纸分析仪带来了巨大的噪音。他们适合大部分的曲线的方式处理噪音,这将带来错误定量分析的系统分析。和大多数人只停留在理论研究和实验结果是更少。因此,在本文中,针对发展中存在的问题,进行深入研究,大量存在的问题进行分析和解决。目前,也有很多医疗企业的研究和开发荧光免疫层析法分析仪。虽然仪器的性能已得到改进,成本和维护成本太高,尽管许多企业和研究机构已经被充分研究过的。因此,技术水平的提高,进一步改进产品创新和技术升级的需要。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前的研究中不公开由于天津科技大学的政策,但可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Lei邵的研究设计,监督项目,修改后的文章。龙钰张进行研究,分析数据和起草。石林李和张县内提供大量的数据为实验研究基础。

确认

这项工作是一个重大科技项目高端医疗设备(16 zxqxsy00020)的研究和开发曲霉属真菌、Cryptococci和白色念珠菌三重核酸检测装备和支持Q-PCR乐器。

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